彭寧離子阱

彭寧離子阱是一個可以儲存帶電粒子的裝置，它使用均勻軸向磁場和不均勻四極電場束縛離子。特別適合於精確測量離子和穩定的亞原子粒子的特性。為了測量電子磁矩，人們利用這種裝置製造並研究了Geonium原子。根據最新進展，通過捕獲量子比特，彭寧離子阱有希望實現量子計算和量子信息處理。彭寧離子阱被全球各大實驗室廣泛採用。比如在歐洲核子研究中心（CERN）反質子的儲存就是使用的這種方法。

基本介紹

• 中文名：彭寧離子阱
• 發明人：漢斯·德默爾特
• 發明時間：1922年

歷史

彭寧離子阱的命名是為了紀念弗蘭斯·米歇爾·彭寧(Frans Michel Penning)(1894–1953)，漢斯·德默爾特於1922年建造了第一個離子阱並以彭寧命名。漢斯·德默爾特因為離子阱技術的貢獻獲得了1989年的諾貝爾物理學獎。德默爾特從彭寧那裡得到了靈感，彭寧建造的真空計放置於磁場中，放電管中電流大小會正比於壓力。 根據德默爾特的自傳描述（原文如下）：

"I began to focus on the magnetron/Penning discharge geometry, which, in the Penning ion gauge, had caught my interest already at G?ttingen and at Duke. In their 1955 cyclotron resonance work on photoelectrons in vacuum Franken and Liebes had reported undesirable frequency shifts caused by accidental electron trapping. Their analysis made me realize that in a pure electric quadrupole field the shift would not depend on the location of the electron in the trap. This is an important advantage over many other traps that I decided to exploit. A magnetron trap of this type had been briefly discussed in J.R. Pierce's 1949 book, and I developed a simple description of the axial, magnetron, and cyclotron motions of an electron in it. With the help of the expert glassblower of the Department, Jake Jonson, I built my first high vacuum magnetron trap in 1959 and was soon able to trap electrons for about 10 sec and to detect axial, magnetron and cyclotron resonances. " – H. Dehmelt

漢譯如下：

我開始專注於彭寧電離壓力計中的磁控管/彭寧放電的幾何結構，其實我在哥廷根還有杜克大學的時候就已經感興趣了，他們1955年在vacuum Franken”和“Liebes”上進行有關光電子的迴旋共振的工作顯示了由於意外的電子俘獲導致的沒有遇見的頻率偏移。他們的分析使我認識到，在純的四極電場中，偏移將不依賴於在電子在離子阱中的位置。這種優勢很明顯區別於其他離子阱，所以我決定利用它。 1940年，J.R. Pierce在他的書里討論過這種類型的磁控管阱，我對其中電子的軸向運動，磁控運動和迴旋運動做了一個簡單描述。通過系裡一個玻璃製作專家，Jake Jonson，我在1959年製作了第一個真空磁控阱，這個裝置可以將電子捕獲10秒左右的時間，並且可以測量電子的軸，磁控管還有迴旋共振。

原理

彭寧離子阱使用了軸向的強勻磁場來限制粒子的徑向軌跡，用四極電場來限制軸向軌跡。使用三個一組的電極產生的靜電勢： 一個環形電極和兩個末端電極。 在一個理想的彭寧離子阱中，環和末端旋轉拉伸出來的雙曲面。在捕獲正（負）離子的情況下，末端電極相對於環被維持在正（負）電位。這種電勢在產生勢阱產生了一個“鞍點”，因此將離子限制在軸向的中心。電場使得離子在軸向中心運動的時候不斷振盪（理想狀態下振盪成簡諧運動）。配合電場使用的磁場使得帶電粒子在徑向平面的運動中畫出一個外旋輪線。